咖啡因对脑电图 Theta/Beta 比率和认知控制的影响

背景和研究目的

认知控制是认知功能的重要组成部分，允许自上而下的目标驱动控制对刺激驱动的自动过程。 大脑的前额叶皮层 (PFC) 可能在认知控制的许多方面发挥重要作用，包括目标驱动的注意力、工作记忆和情绪调节。 以前检查认知控制的脑电图研究已经确定了 PFC 介导的认知控制的潜在电生理学标记。 这些研究发现，脑电图测量的 θ 和 β 大脑振荡之间的比率在患有 ADHD 的儿童（他们通常认知控制较差）和注意力控制较差的未经选择的成年人中升高。 这种 theta/beta 比率 (TBR) 被认为反映了前额叶大脑活动对更多后部和皮层下大脑区域表现出调节控制的程度，这使得该测量值可用于诊断和治疗与认知控制不佳相关的疾病，例如多动症。

在本研究中，研究人员提出了一种新方法，通过给参与者服用咖啡因来进一步验证 TBR 作为认知控制的电生理标记。 众所周知，咖啡因可以改善认知控制的各个方面，预计这将伴随着 TBR 的降低。

重要的是，认知控制受益于任务相关表征的维护和这些表征的灵活更新。 这些认知控制功能可能依赖于大脑的不同区域。 也就是说，虽然与任务相关的表征的维护可能更多地依赖于 PFC 功能，但这些表征的灵活更新可能更多地依赖于纹状体中的多巴胺能活动。 因此，作为 PFC 活动标记的 Theta/Beta 比率可能会具体反映与任务相关的信息维护，并且将这种脑电图测量与纹状体多巴胺活动的测量进行对比可能会更多地阐明 TBR 的性质。 在本研究中，研究人员将通过测量自发眨眼率 (EBR) 来做到这一点，这已被证明对多巴胺能纹状体活动敏感。

本研究的第一个目的是通过向健康参与者服用咖啡因，进一步验证作为 PFC 介导的认知控制的电生理学标记的 θ/β 比率 (TBR)。 研究人员预计 (1a) theta/beta 比率将与认知控制表现呈负相关（注意力集中、注意力转移、工作记忆；用 TACT 和 N-back 测量；可能主要与 TACT 集中表现有关），(1b) 咖啡因会提高认知控制能力，(1c) 咖啡因会降低 theta/beta 比率，并且 (1d) 咖啡因对认知能力的这些有益影响将通过降低 theta/beta 比率来调节。

本研究的第二个目的是检查 TBR 和 EBR 是否有差异地调节咖啡因对认知控制的影响。 也就是说，由于这些措施可能反映了不同大脑区域的活动，因此它们可以根据基线活动预测咖啡因的差异（可能是倒 U 形）影响。 例如，通过摄入咖啡因增加纹状体多巴胺可能仅在初始纹状体多巴胺能活动（如基线 EBR 所反映的）一开始不是太高时才有益，因为当它太高时，这可能会导致注意力分散，而不是而不是提高认知灵活性。 因此，研究人员预计 (2a) 基线 TBR 将缓和咖啡因对认知控制性能（可能主要是 TACT 专注性能）的影响，并且 (2b) 基线 EBR 将缓和咖啡因对认知控制功能（可能主要是TACT 换档性能）。

本研究的第三个目的是检查咖啡因对情绪处理的影响，以及 TBR 在其中的作用。 重要的是，传统上认为咖啡因会增加与威胁相关的处理和焦虑，尤其是在高剂量时。 然而，越来越多的动物研究表明，小剂量的咖啡因实际上可能具有抗焦虑作用。 在某种程度上，这可能是由于认知和注意力控制能力的提高。 即，虽然关系复杂，但焦虑和注意控制是相互影响的。 焦虑可能会提高对威胁相关处理的警惕性，而注意力控制能力可能会防止这种情况发生。 理论上，最佳剂量的咖啡因可以增加注意力控制，从而减少对威胁相关信息的过度处理。 然而，多巴胺、去甲肾上腺素和咖啡因的剂量依赖效应预测，最佳剂量取决于这些递质的基础水平，因此可能与多巴胺和去甲肾上腺素活性增加相关的焦虑有关。 中等剂量的咖啡因作为焦虑症（注意力症状）的预防药物的潜在用途可能关键取决于焦虑症的这种可能的缓和影响。 在本研究中，研究人员通过考虑特质焦虑在咖啡因对情绪处理的影响中的调节作用来检验这种关系。 研究人员预计 (3a) 较高的 TBR 将与增加对 EST 的干扰有关，(3b) 中等剂量的咖啡因会减少对 EST 的情绪干扰，(3c) 咖啡因对情绪干扰的影响将通过TBR 的变化，以及 (3d) 咖啡因对情绪干扰的影响将受到特质焦虑的个体差异的调节。

特质焦虑将通过使用 STAI-t 的自我报告进行测量，它将作为协变量添加到检查 TBR 和 AC 之间关系的分析中。 最后，在这项研究中，研究人员将探讨咖啡因摄入与认知控制之间关系的其他几个可能的混杂因素，包括自我报告的特质和注意力控制、焦虑、嗜睡和 ADHD 症状的测量。

学习规划

一项双盲、随机、安慰剂对照、交叉试验。 在第一次培训课程后，参与者将访问实验室两次，间隔大约一周。 在这两个实验室课程中，参与者将口服一粒含有 200 毫克纯咖啡因的胶囊（大约 2 杯咖啡中含有类似数量的咖啡因）和一粒含有安慰剂填充物的胶囊（随机和双盲给药）。 胶囊分配的盲法和随机化将由莱顿大学医学中心 (LUMC) 的药房完成。

参加者

四十名健康女性志愿者（年龄在 18-26 岁之间）将参与这项研究。 参与者对咖啡因的摄入量相当天真（每天摄入 ≤100 毫克咖啡因，或约一杯咖啡），并且将被要求在实验室课程开始前 12 小时内戒除咖啡因和酒精摄入。 参与者将是莱顿大学通过各种广告（例如，在大学校园）招募的学生。 如果可能，退出研究的参与者将由另一名随机选择的参与者代替。 对于此类替代参与者，LUMC 药剂师按照与他们要替代的原始参与者相同的顺序准备了含有安慰剂和咖啡因的盲胶囊。

程序

在线筛选程序后，符合条件的参与者将在不同的三天同时接受测试。 考试将在 10:00 到 17:00 之间进行，每次大约持续 2 小时。 参与者将被要求在实验开始前 12 小时戒酒和戒咖啡因。 在第一个测试（培训）日，参与者将完成评估人口统计学、注意力控制特质水平（ACS）、特质焦虑水平（STAI 特质分量表）、习惯性嗜睡（ESS）和 ADHD 症状（ADHD 评定量表-IV）的问卷. 此外，将测量静息态脑电图（8 分钟，交替 1 分钟睁眼/闭眼）和自发 EBR（一次睁眼 4 分钟）。 此外，参与者将熟悉认知任务（TACT；N-Back；EST）。 参与者将完成这些措施，以减少后续测试中的新颖性或学习效果。 在测试的每一天，将在每 4 分钟 (EBR) 和 8 分钟 (EEG) 基线测量之间以及一天结束时进行状态问卷调查（当前嗜睡，KSS；注意力控制，VAS；和焦虑，STAI 状态分量表） （即，在第一个训练日给药两次，在第 2/3 消耗日给药 3 次）。

第二个测试日将在第一个测试日之后大约一周。 在服用胶囊之前，将测量 EEG 和 EBR。 然后，参与者将收到含有咖啡因（200 毫克）或安慰剂（双盲、随机给药）的胶囊。 休息 30 分钟后（因为咖啡因需要大约半小时才能变得活跃），将再次测量 EBR 和 EEG。 最后，参与者将完成他们在第一天完成的相同认知任务。

在第三个测试日，将重复第二天的测试方案，除了将服用另一种剩余的咖啡因 (200 毫克) 或安慰剂胶囊。

认知控制任务

所有认知任务（TACT；N-Back；情绪 Stroop 任务）都使用 E-Prime (v2.0) 在计算机上进行编程和完成。 认知控制任务描述如下。

1. 双因素注意力控制任务 (TACT)：TACT 是一项全局/局部一致性任务，旨在测量注意力集中和注意力转移。 在此任务中，参与者会看到一个大箭头，该箭头由几个指向相同（一致）或相反（不一致）方向的小箭头组成。 要求参与者尽快响应大箭头或小箭头的方向，不要犯太多错误。 他们可以通过使用惯用手的食指和中指按键盘上的向左或向右箭头键来实现。 在箭头出现之前，参与者会看到一个灰色屏幕 500 毫秒，之后蓝色的“大”或黄色的“小”出现 500 毫秒，这表明参与者必须响应哪个箭头。 在 250 毫秒灰色屏幕后，箭头出现在屏幕中间，在 2000 毫秒后或给出响应时消失。 在每次试验中，箭头出现的位置略有不同，以确保参与者看到箭头而不是注视屏幕上的几个像素（理论上这足以识别箭头的方向）。

   在任务的注意力焦点部分，参与者完成两个块，每个块 52 个试验。 在一个区块中，参与者只对大箭头的方向做出反应，而在另一个区块中，参与者只对较小箭头的方向做出反应。 TACT 焦点性能是通过从不一致试验的 RT（即参与者必须抑制他们对分散注意力的反应的试验）中减去一致试验的 RT（即，不需要抑制无人看管的箭头分心的试验）来测量的。无人值守的箭头）。 因此，RT 的差异越小表明对焦性能越好。 在任务的注意力转移部分，参与者完成两个 120 次试验，中间间隔一分钟，其中参与者必须响应的箭头方向每六次试验改变一次（即总共 40 个轮班） . TACT 转移性能是通过在注意转移后的前两个试验的 RT 中减去最后两个试验的 RT 来计算的（即，参与者将注意力从看大箭头转移到小箭头的试验，反之亦然）。 因此，RT 的差异越小表明换档性能越好。 轮班前后的两次试验总是不一致，以增加该任务的难度（因此可能增加轮班成本）。 焦点块的顺序（即首先是大箭头或较小箭头），以及首先完成焦点或移位块的顺序，在参与者身上是平衡的。 参与者给出不正确的反应，或者不太可能的缓慢或快速反应的试验，不会被进一步分析。

2. N-Back 任务：N-back 任务是评估不同工作记忆过程的任务。 在 N-Back 任务中，参与者会依次显示字母。 参与者必须使用键盘上的 1（“相同字母”）或 2（“不同字母”）指示当前字母是否与之前显示的 n 个字母匹配。 管理 1-back 和 3-back 任务，因为咖啡因可能对 3-back 任务表现影响最大，并且可能不会对 1-back 和 2-back 任务表现产生很大差异。 对于每个 n-back 条件，总共显示 75 个字母，其中 25 个 (33%) 是命中（即，向后显示 n 个位置的试验）。 每个块的前三个试验都不是目标。 每个字母显示 500 毫秒，然后是 1500 毫秒的空白屏幕。 参与者可以在这整个 2000 毫秒的间隔内回复这封信。 在每个 n-back 条件之前，参与者会收到任务的说明和示例（在训练日的研究人员的监督下），并完成 21 次训练试验（7 次命中试验），以确保他们理解任务。 1-back 和 3-back 完成的顺序将在参与者之间进行平衡。 性能是通过检查准确性分数（正确率）和检查正确回答试验的 RT 来衡量的。
3. 情感 Stroop 任务 (EST)：EST 是传统 Stroop 任务的变体（在该任务中，参与者必须命名以不同颜色名称打印的单词的颜色，例如 说出用蓝色墨水写的“红色”一词的颜色）。 在 EST 中，显示了充满情感的图片，上面叠加了一个彩色方块。 参与者必须对正方形的颜色做出反应，因此必须抑制图片的分散注意力的影响。 图片选自 IAPS 数据库，并根据其平衡和唤醒等级选择，以代表三种图片条件：中性、负面和正面。 对于每个图片条件，4 张图片（每次正方形位于不同位置：顶部或底部 x 左侧或右侧）显示 8 次（即每个条件 32 次试验，总共 96 次试验）。 正方形的颜色是在每次试验中从三个可能的选项（红色、黄色或蓝色）中随机选择的。 在每次试验中，首先，一张图片显示 200 毫秒，然后在这张图片的四个可能位置之一上叠加一个彩色方块。 然后，参与者有 1800 毫秒的时间来响应方块的颜色，他们可以使用标准响应框的彩色按钮来完成。 然后，显示一个 2000ms 的灰色屏幕，之后出现下一张图片。 在实际任务之前，参与者完成 24 个显示中性图片的练习试验。 情绪 Stroop 任务的表现是通过检查消极和积极条件试验中的 RTs，与中性条件试验中的 RTs 相比，在正确回答的试验中来衡量的。

问卷调查

所有特质问卷（ACS；STAI-t；ADHD Rating Scale-IV；ESS）都使用 E-Prime (v2.0) 在计算机上编程和完成。 州问卷（STAI-s；VAS AC-s；KSS）使用笔和纸完成。 调查问卷如下所述。

1. 注意力控制量表 (ACS)：将对参与者进行修改后的 ACS 荷兰语翻译。 ACS 旨在衡量特质注意力控制，通过 20 个衡量注意力转移的陈述（例如，“我可以快速从一项任务切换到另一项任务”）、注意力集中度（例如，“即使有音乐，我的注意力也很好”进行评估我周围的空间”）和灵活的思维（例如，“我很难快速想出新点子”）。 参与者必须指出这些陈述在多大程度上反映了他们在 4 分制上的注意力控制，范围从 1（“几乎从不”）到 4（“总是”）。
2. 状态-特质焦虑指数（特质子量表；STAI-t）：荷兰 STAI 的特质量表由 20 个测量特质焦虑的项目组成（例如，“我为一些真正无关紧要的事情担心太多”）。 参与者可以使用从 1（“几乎从不”）到 4（“几乎总是”）的 4 分等级量表来回答这些项目。
3. ADHD Rating Scale-IV：将对参与者进行 ADHD Rating Scale-IV 的修改荷兰语翻译。 该问卷由 23 个项目组成，用于测量多动症/冲动（例如，“我感到焦躁不安”）和注意力不集中（例如，“我很快就会分心”）的 ADHD 症状。 要求参与者对过去 6 个月中该项目应用于他们的程度进行评分，评分范围为 0（“从不或很少”）到 3（“非常频繁”）。
4. Epworth 嗜睡量表 (ESS)：ESS 用于衡量习惯性嗜睡。 在 ESS 上，参与者被要求评估他们在八种常见情况和最近情况下打瞌睡的可能性（例如，“看电视时”），使用 0（“永远不会打瞌睡”）到 3（ “打瞌睡的可能性很大”）。
5. 状态-特质焦虑指数（状态分量表；STAI-s）：荷兰 STAI 的状态量表由 20 个项目组成，用于衡量参与者此刻的焦虑程度（例如，“我感到平静”、“我很担心”）。 参与者可以使用从 1（“完全没有”）到 4（“很多”）的 4 分等级量表来回答这些项目。
6. 卡罗林斯卡嗜睡量表 (KSS)：KSS 是一种 9 分制 VAS，用于评估主观的瞬时嗜睡。 参与者被要求报告他们在 1（“非常清醒”）到 9（“非常困倦（抗拒睡眠）”）的范围内的警觉或困倦程度。
7. VAS AC-s：VAS 注意力控制量表由六个项目组成，评估参与者当前的注意力控制感（例如 “我很难集中注意力”）。 参与者必须通过标记 100 毫米线来表明该项目在多大程度上反映了他们当前的注意力控制，并在左侧和右侧锚定“一点也不”和“很多”。

EBR 和 EEG 测量

1. 自发眨眼率 (EBR)：将在 4 分钟内收集自发 EBR。 使用垂直 EOG 的睁眼阻滞，它记录放置在眼睛上方和下方的两个电极之间的电压差。 在这 4 分钟内。 在间隔期间，参与者将被要求以放松的状态注视房间的中心点。 个人 EBR 将通过除以 4 分钟内的眨眼总数来计算。 间隔4。
2. 自发脑电图：将记录自发脑电图 8 分钟。 连续交替 1 分钟的睁眼/闭眼记录。 将使用 ActiveTwo BioSemi 系统根据国际 10/20 系统定位的 16 个电极在头皮上采集脑电图记录。 电极将放置在左右乳突处，用于将头皮信号离线重新参考为乳突信号的平均值。 为了测量眼睛和眨眼的运动，眼电图 (EOG) 电极将放置在左眼（垂直 EOG）和每只眼睛的外眦（水平 EOG）的上方和下方。 离线数据处理将在 Brain Vision Analyzer V2.02 中完成。 将应用 0.1-Hz 高通滤波器、100-Hz 低通滤波器和 50-Hz 陷波滤波器。 数据将以四秒为单位进行分析。 数据将自动针对眼部伪影进行校正，并且将删除包含剩余伪影的片段。 将应用快速傅立叶变换（分辨率为 0.25 Hz，使用 10% 的海明窗）来计算 beta (13-30 Hz) 和 theta (4-7 Hz) 频带的面积功率密度。 三个额叶电极的功率密度将平均为额叶 beta 和额叶 theta 功率密度的测量值，并用于计算 theta/beta 比率，在非正常情况下将进行对数转换。

数据处理

每个认知任务的离群值移除将在每个参与者的试验基础上完成（不包括不太可能的快速和/或缓慢的反应）。 首先将应用粗略的 RT 移除，然后将进行更复杂的外围试验移除。 根据之前对这些任务的研究，将删除以下试验：

1. TACT：试验快于 200 毫秒或慢于 1200 毫秒，之后完成的试验快于或慢于该任务平均 RT 的 2.5 SD 将被删除。
2. N-Back：将删除快于 300 毫秒的试验。
3. EST：试验快于 300 毫秒或慢于 1200 毫秒，之后完成的试验快于或慢于该任务平均 RT 的 2.5 SD 将被删除。

有一些证据表明 TBR 和 EBR 随着时间的推移具有稳定性，这符合这些标记反映稳定的、类似特征的神经过程的概念。 然而，依赖于国家的情况对这些措施的影响仍未完全了解。 在本研究中，将在测试的每一天测量基线 TBR 和 EBR，但只有其中一个 TBR 和其中一个 EBR 基线测量值将用作调节分析中的特征样神经标记。 根据以下规则选择将在调节分析中使用哪些基线措施：

1. 如果研究人员发现第 1 天的 TBR 或 EBR 基线测量值与第 2 天和第 3 天的相应基线测量值高度相似（平均比较和/或相关性），则第 1 天的基线测量值将用于调节分析。
2. 如果研究人员发现第 1 天的 TBR 或 EBR 基线测量值与第 2 天或第 3 天的相应基线测量值有很大差异，则第 1 天的基线测量值将用于调节分析。
3. 如果研究人员发现第 1 天、第 2 天和第 3 天的 TBR 或 EBR 基线测量值彼此差异很大，则将在调节分析中使用第 1 天的基线测量值。
4. 如果研究人员发现第 2 天和第 3 天的 TBR 或 EBR 基线测量值高度相似，但与第 1 天相应的基线测量值差异很大，则将在调节分析中使用第 2 天和第 3 天的平均基线测量值。